[发明专利]基于闪光X光机的超快X射线衍射成像方法及系统

说明书

本发明提供一种基于闪光X光机的超快X射线衍射成像方法及系统，包括闪光X光机，闪光X光机包括闪光X射线二极管，还包括衍射调节子系统、探测器子系统及辅助调节子系统；本发明方法采用新的衍射光路调节方法，即将直流X光机、衍射调节系统及计数型探测器组装，确定闪光X射线二极管管阳极特征线能量的精确衍射角后再使用面阵探测器。该方法可解决闪光X射线衍射光路调节困难的问题，同时确定的精确衍射角可提高衍射图像的信噪比，大大降低了系统的复杂度。

技术领域

该发明涉及一种基于小型化闪光X光机的超快X射线衍射成像方法及系统，实现了纳秒量级的X射线衍射成像。该方法及系统涉及冲击动力学领域，可测量纳秒时间尺度的材料微观结构变化。

背景技术

在材料冲击波压缩性质研究中，传统的冲击波测量方法无法给出原子层面的结构变化信息，对于材料弹塑性形变、屈服及破坏等行为仍停留在宏观经验描述层面上。目前广泛使用的测试方法均基于宏观量，缺少冲击波传播过程的实时微观数据，因此只能通过宏观测试方法结合相应理论对动态过程进行重建。然而理论模型具有一定的近似性，通过宏观实验结果来反演微观物理过程无法得到唯一真实的结果。因此，实时观测冲击压缩过程中材料的微观结构变化是长期存在的科学需求。

硕士论文“激光加载下的瞬态X射线衍射技术研究[D].重庆大学,2014”公开了一种利用激光驱动Cu靶产生X射线进行瞬态衍射实验的方法，实验在神光II装置的球靶上进行。脉宽2ns、能量240J、波长350nm的北四路激光驱动10μm金属铜靶产生类He线作为X射线背光源进行衍射实验，诊断激光冲击加载下的晶格形变。系统整体技术复杂度高，体积庞大，成本昂贵，一般的科研工作者无法具备相关条件。同时，激光等离子体X射线源无法应用于轻气炮加载条件，而激光直接加载方式产生冲击波具有时空不均匀性，妨碍了X射线衍射结果的定量分析；采用激光间接驱动加载方式要实现较高压力的冲击波加载，对激光器提出了很高的要求，一般台式激光器很难满足要求。

闪光X光机与激光等离子体X射线源相比，具有体积小、成本低、易使用、易移动等突出优点，同时闪光X光机可与轻气炮加载平台配合，进行平面冲击加载条件下材料微观结构的诊断。但闪光X光机直接应用在X射线衍射成像技术上需解决连续谱造成本底密度大、衍射光路调节困难等问题。

发明内容

为了解决闪光X光机应用在X射线衍射成像技术上连续谱造成本底密度大、衍射光路调节困难等问题，本发明提出了一种闪光X射线衍射光路调节方法，建立了基于闪光X光机的超快X射线衍射成像系统，可应用于纳秒时间尺度的材料微观结构变化测量。

本发明的技术解决方案为：

本发明所提供的基于闪光X光机的超快X射线衍射成像系统，包括闪光X光机，所述闪光X光机包括闪光X射线二极管，其特殊之处在于：

还包括衍射调节子系统、探测器子系统及辅助调节子系统；

所述衍射调节子系统包括前准直器及衍射角度调节器，所述前准直器用于调节X射线的发散度，所述衍射角度调节器用于支撑及调节待测晶体与入射X射线间的角度；

所述探测器子系统采用面阵探测器，实时记录衍射图像，用于冲击压缩过程中晶体晶格间距变化的分析；

所述辅助调节子系统包括直流X光机及计数型探测器，所述直流X光机用于发射X射线，所述计数型探测器用于实时记录经晶体衍射后的X射线光子数，直流X光机及计数型探测器配合衍射角度调节器确定特征X射线所对应待测晶体精确衍射角。

以上为本发明的基本结构，基于该基本结构，本发明还做出以下优化限定：

为了进一步提高入射到晶体表面的特征X射线的功率密度，缩小射线源焦斑，衍射调节子系统还包括X射线聚焦透镜，所述X射线聚焦透镜与闪光X射线二极管直接连接。为了减小散射本底对于成像结果的影响，所述衍射调节子系统还包括设置在待测晶体衍射光线上的后准直器。